Tepelná technika. Teorie tepelného zpracování Doc. Ing. Karel Daďourek, CSc Technická univerzita v Liberci 2007

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Tepelná technika. Teorie tepelného zpracování Doc. Ing. Karel Daďourek, CSc Technická univerzita v Liberci 2007"

Klára Tomanová
před 8 lety
Počet zobrazení:

1 Tepelná technika Teorie tepelného zpracování Doc. Ing. Karel Daďourek, CSc Technická univerzita v Liberci 2007

2 Tepelné konstanty technických látek

3 Základní vztahy Pro proces sdílení tepla platí základní diferenciální rovnice λ. T = ρ. c. T/ τ, kde λ [W / m K] je tepelná vodivost materiálu, c [J / kg K] je jeho specifické teplo, ρ [kg / m 3 ] jeho hustota, T [K] je teplota a τ [s] čas. Pro stacionární děje (při konstantním přívodu tepla) je možné psát jednodušší diferenciální rovnici q = -λgrad T, kde q [J/m 2 s = W / m 2 ] je množství tepelné energie procházející jednotkou povrchu za jednotku času. Jednorozměrný systém : λ. 2 T/ x 2 = ρ. c. T/ τ, q = -λ T/ x

4 Základní parametry ocelí Ve výpočtech často vystupuje veličina a = λ / ρ c [m 2 / s], označovaná jako teplotní vodivost. Pro ocel jako nejčastěji tepelně zpracovávaný kov platí přibližně : λ = 40 W / m K, ρ = 7870 kg / m 3, c = 500 J / kg K, tedy a = 10-5 m 2 /s.

Pro ocel jako nejčastěji tepelně zpracovávaný kov platí přibližně

5 Tepelná vodivost oceli Pro uhlíkové a nízkolegované oceli Všechny následující údaje ve W / m K Pro ocel do 0,4 % C : λ = 419 / (5,74 + 2,43 %C + 5,09 %Si + 2,46 %Mn) Pro ocel nad 0,4 % C : λ = 419 / (4,4 + 8,7 %C + 3,67 %Si + 1,9 %Mn) U vysocelegovaných ocelí složitější závislosti Nejlepší tepelná vodivost u nelegované nízkouhlíkové oceli λ = 60

ocel nad 0,4 % C : λ = 419 / (4,4 + 8,7 %C + 3,67 %Si + 1,9 %Mn) U vysocelegovaných

6 Závislost vodivosti na teplotě Závislost tepelné vodivosti železa na teplotě λ t = λ 0 * ξ hodnoty ξ jsou v následující tabulce : lte pe lná vodivos t oce li Tepelná vodivost feritu klesá a austenitu roste s rostoucí teplotou Relativní tepelná vodivos t 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Te plota (stupňů Ce lsia)

vodivost feritu klesá a austenitu roste s rostoucí teplotou Relativní tepelná

7 Konstantní rychlost ohřevu Je přibližně konstantní také přiváděné množství tepla q. Pro jednorozměrný případ platí vztahy : Pro rychlost změny teploty t/ τ = -q. κ / (ρ. c ) pro gradient teploty ve vsázce t/ x = - q / λ Pro gradient a rychlost změny teploty t/ x = t/ τ. 1 / (a. κ), κ je tzv tvarový součinitel, který je poměrem povrchu a objemu vsázky

c ) pro gradient teploty ve vsázce t/ x = - q / λ Pro gradient a rychlost změny teploty

8 Tvarový součinitel Rozměry dosazovat v milimetrech

9 Teplotní pnutí Gradient teploty ve vsázce v ní vyvolá vnitřní pnutí R [MPa] o velikosti R = α. E. (T max T min ), α [1 / K] je koeficient lineární roztažnosti, E [MPa] Youngův modul Za předpokladu, že se teplota ve vzorku mění lineárně R = α. E. T/ τ. L, L je charakteristický rozměr vzorku Tedy, vnitřní pnutí je úměrné rychlosti ohřevu a tloušťce vzorku

(T max T min ), α [1 / K] je koeficient lineární roztažnosti, E [MPa] Youngův modul Za

10 Vztahy pro ocel Pro ocelovou desku tloušťky 10 mm (charakteristický rozměr) z výše uvedených hodnot vyplývají přibližné vztahy : T/ x = q / 4 [K/mm, W/cm 2 ] (tento vztah je jako jediný nezávislý na tloušťce desky) T/ τ = q / 2 [K/s, W/cm 2 ] T/ x = T/ τ / 2 [K/mm, K/s] a pro napětí ve vzorku R = 12. T/ x [MPa, K/mm]. Pro střední rychlost ohřevu 1 K/s (čemuž odpovídá q = 2 W/cm 2 ) bude : rozdíl teplot v desce 5 K příslušné napětí 12 MPa.

= q / 2 [K/s, W/cm 2 ] T/ x = T/ τ / 2 [K/mm, K/s] a pro napětí ve vzorku R = 12. T/ x [MPa, K/mm].

11 Součinitel uspořádání pro přípravky rozhoduje o přívodu tepla do vzorků Kruhový průřez : jeden na podložce U=1 jeden na podlaze pece U=1 několik těsně vedle sebe U=2 několik ve vzdálenostech d/2 U=1,4 několik ve vzdálenostech 2*d U=1,3 Čtvercový průřez : jeden na podložce U=1 jeden na podlaze pece U=1,4 několik těsně vedle sebe U=4 několik ve vzdálenostech d/2 U=2,2 několik ve vzdálenostech d U=2,0 několik ve vzdálenostech 2*d U=1,8

vzdálenostech 2*d U=1,3 Čtvercový průřez : jeden na podložce U=1 jeden na podlaze pece U=1,4 několik těsně

12 Určení doby ohřevu Prohřátí uhlíkové oceli pro teplotu 750 až 900 o C, základní tloušťku 1 mm : Druh ohřevu Elektrická pec Solná lázeň Olověná lázeň Doba ohřevu τ p (minut) Pro jinou tloušťku násobit tloušťkou -Celková doba ohřevu τ o = τ p * U / κ - Pro legovanou ocel o 50 % delší doba - Izotermická výdrž minimálně 25 % doby prohřátí

(minut) 60 15 8 -- Pro jinou tloušťku násobit tloušťkou -Celková doba ohřevu τ o = τ p

13 Používané soli v tepelném zpracování 1

14 Používané soli v tepelném zpracování 2

15 Používané soli v tepelném zpracování 3

16 Roztavené kovy v tepelném zpracování

17 Kalicí prostředí beze změny skupenství Pořadí podle rostoucí rychlosti ochlazování Klidný vzduch Proudící vzduch Ochlazované proudící plyny Solné lázně Kalicí lis Chladicí schopnost q = α * (t 1 t 2 ) (W/m 2 )

Proudící vzduch Ochlazované proudící plyny Solné

18 Jednoduché kalicí medium V celém rozsahu ochlazování je téměř konstantní koeficient přestupu tepla. Odváděné teplo je úměrné rozdílu teplot mezi vsázkou a chladicím mediem Závislost teploty na čase je exponenciální křivka Rychlost ochlazování s teplotou (a časem) exponenciálně klesá

Odváděné teplo je úměrné rozdílu teplot mezi vsázkou a chladicím

19 Pokles teploty pro jednoduché kalicí medium Příklad poklesu teploty při konstantním koeficientu přestupu tepla. Ve skutečnosti koeficient přestupu tepla trochu klesá s klesající teplotou, křivka je ještě zakřivenější

20 Rychlost ochlazování pro jednoduché kalicí medium Ochlazovací rychlost s klesající teplotou klesá. Ve skutečnosti je křivka poklesu rychlosti ochlazování ještě poněkud zakřivenější.

21 Důsledky exponenciálního Červeně je exponenciální pokles teploty, fialově lineární. Modře je označena teplota dožhavení Zeleně je označena teplota bezpečného dotyku Při lineární závislosti by bylo možné se dotknout již za dvojnásobek doby dožhavení, ve skutečnosti až za čtyřnásobek poklesu teploty

22 Ochlazovací křivky v ARA Jestliže v ARA diagramu nakreslíme přímku, nahrazujeme exponenciální křivku křivkou logaritmickou. Červeně exponenciální křivka Zeleně logaritmická křivka diagramech

23 Kalicí prostředí se změnou skupenství Pořadí podle rostoucí rychlosti ochlazování Olej Polymerní prostředí Voda Roztok solí nebo hydroxidů Nutnost sledovat změny koeficientu přestupu tepla

24 Vedení tepla v kapalině

25 Kapalná chladicí media Dávají větší ochlazovací rychlost Lépe splňují požadavky na ideální křivku chladnutí Teplota varu je velmi těžko ovlivnitelná Rozsah polštářového varu je celkem dobře ovlivnitelný Snížení ochlazovací schopnosti zvýšením teploty chladicího media vede k předčasnému ukončení chlazení Sprcha může zcela potlačit plynový polštář

26 Průběh ochlazování v kapalině

27 Převrácení křivky rychlosti ochlazování

28 Ochlazovací křivky různé oleje Zeleně bod varu Modře přechod od bublinového k polštářovému varu

29 Vliv nuceného proudění Rozšiřuje oblast bublinkového varu Ve všech oblastech zvyšuje rychlost ochlazování Může rozšířit přechodovou oblast mezi bublinovým a polštářovým varem a způsobit nerovnoměrné ochlazování druhé schema zleva chladicího media

30 Samozakalení materiálu Vzniká spád teploty v materiálu, který způsobí, že materiál sám ochladne stejně rychle jako se ohřál V mnoha případech to stačí k zakalení Předpokladem je malá hloubka kalení ve srovnání s rozměry Ohřev musí být dostatečně rychlý

Podobné dokumenty

Charakteristika. Vlastnosti. Použití NÁSTROJE NA TLAKOVÉ LITÍ NÁSTROJE NA PROTLAČOVÁNÍ NÁSTROJE PRO TVÁŘENÍ ZA TEPLA VYŠŠÍ ŽIVOTNOST NÁSTROJŮ

Charakteristika. Vlastnosti. Použití NÁSTROJE NA TLAKOVÉ LITÍ NÁSTROJE NA PROTLAČOVÁNÍ NÁSTROJE PRO TVÁŘENÍ ZA TEPLA VYŠŠÍ ŽIVOTNOST NÁSTROJŮ DIEVAR DIEVAR 2 DIEVAR Charakteristika DIEVAR je Cr-Mo-V legovaná vysoce výkonná ocel pro práci za tepla s vysokou odolností proti vzniku trhlin a prasklin z tepelné únavy a s vysokou odolností proti opotřebení